无线局域网技术漫谈

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近几年来，计算机网络技术的逐渐成熟和飞速发展使之迅速地渗透和普及到了社会的各个领域，并在许多方面改变了人们原有的生活方式和生活观念。无线局域网（WLAN）技术作为计算机网络技术的一个分支也渐渐地浮出水面，得到了众多业内人士的关注。目前已经有多家厂商推出了他们各自的WLAN产品，例如3COM、Aironet、Cabletron、Lucent、Intel、IBM和Compaq，这些产品在一定程度上已经投入了应用。尽管如此，WLAN技术的成熟和普及仍然需要一个不断磨合的过程，原因是多方面的，其中包括技术标准、安全保密和性能。本文将就WLAN技术的有关标准、组网方式和存在的问题作简要的介绍。  
一、 WLAN的技术标准  
最早的WLAN产品运行在900MHz的频段上，速度大约只有1~2Mbps。1992年，工作在2.4GHz频段上的WLAN产品问世，之后的大多数WLAN产品也都在此频段上运行。目前的WLAN产品所采用的技术标准主要包括：IEEE 802.11、IEEE 802.11b、HomeRF、IrDA和蓝牙。由于2.4GHz的频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等。为此，无线通信技术中特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"）不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能产生的影响变得很小。  
（一）IEEE 802.11  
1997年6月，IEEE推出了第一代无线局域网标准—IEEE802.11。该标准定义了物理层和介质访问控制子层(MAC)的协议规范，允许无线局域网及无线设备制造商在一定范围内建立互操作网络设备。任何LAN应用、网络操作系统或协议（包括TCP/IP、Novell NetWare）在遵守IEEE 802.11标准的无线LAN上运行时，就像它们运行在以太网上一样容易。   
1、物理层  
IEEE 802.11在物理层定义了数据传输的信号特征和调制方法，定义了两个无线电射频(RF)传输方法和一个红外线传输方法，这里主要介绍无线电射频(RF)传输方法，有关红外线传输方法的内容将在IrDA标准中介绍。RF传输标准包括直接序列扩频技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）和跳频扩频技术（Frequency Hopping Spread Spectrum ，FHSS）。   
直接序列扩频技术（DSSS）采用了一个长度为11比特的Barker序列来对以无线方式发送的数据进行编码。每个Barker 序列表示一个二进制数据位（1或0），它将被转换成可以通过无线方式发送的波形符号。这些波形符号如果使用二进制相移键控（BPSK）技术，可以以1Mbps的速率进行发射，如果使用正交相移键控（QPSK）技术，发射速率可以达到2Mbps。   
跳频扩频技术（FHSS）利用GFSK二级或四级调制方式可以达到2Mbps的工作速率。  
2、介质访问控制 (MAC) 子层  
由于在无线网络中冲突检测较困难，IEEE 802.11 规定介质访问控制 (MAC) 子层采用冲突避免(CA)协议，而不是冲突检测（CD）协议。为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送，防止各站点无序地争用信道，无线局域网中采用了与以太网CSMA/CD相类似的CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)协议。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来，保证某一时刻只有一个站点发送，实现了网络系统的集中控制。因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。  
IEEE 802.11定义基本服务群（BSS）是无线局域网的基本单元，它的功能包括分布式协调功能(DCF)和无线访问接入点协调功能(PCF)。协调功能是决定在BSS内工作的一个站，通过无线介质何时允许发送和可能接收协议单元的逻辑功能。DCF是IEEE 802.11 标准中MAC协议的基本介质访问方法，它作用于基本服务群和基本网络结构中，可在所有站实现，它支持竞争型异步业务。而PCF可支持无竞争型时限业务及无竞争型异步业务，在PCF 模式中，将由一个无线访问接入点（Access Point，AP）来控制对介质的所有访问。在系统处于PCF模式期间，负责控制访问的无线访问接入点将接纳每个端站的数据，经过给定的时间后转移到下一站。除非某个端站被接纳，否则它不允许进行发射，也只有当端站被接纳以后，它们才接收来自无线访问接入点的数据。由于PCF 按预定的方式给每个端站确定了一个发射顺序，因此保证了每条数据流的最大延迟。PCF的不足之处是它的可伸缩性较差，因为是由单一的无线访问接入点来控制媒体访问，且必须接纳所有端站的通信，所以这种做法在较大的网络中效率较低。   
IEEE 802.11 MAC层负责客户端与无线访问接入点之间的通信。当一个 802.11客户端进入一个或多个无线访问接入点的覆盖范围时，它将根据信号强度和监测到的包错误率，选择其中性能最好的一个无线访问接入点并与之联系。一旦被该无线访问接入点接受，客户端会将无线信道调整到设置无线访问接入点的无线信道。它定期检测所有的802.11信道，以便确定是否有其他的无线访问接入点能够提供更好的性能。如果检测到存在这样一个无线访问接入点，它将与新的无线访问接入点重新建立联系，客户端将调整到设置该无线访问接入点的无线信道。出现这样的重新连接通常是由于无线端站在物理位置上离开了原始无线访问接入点，导致信号变弱。此外，当建筑物中的无线特性发生变化，或者原始无线访问接入点的网络通信量过高时，也会出现重新联系的情况。在后一种情况下，这个功能一般称为“负载平衡”，因为它的主要作用是将总体的无线LAN负载最有效地分布到可用的无线基础设施中。   
IEEE 802 .11中MAC提供的服务有：安全服务、MSDU重新排序服务和数据服务。其中安全服务提供的服务范围局限于站与站之间的数据交换，其内容为：加密、验证、与层管理实体相联系的访问控制。IEEE 802.11标准中提供了WEP（Wired Equivalent Privacy）加密算法，其目标是为无线LAN提供与有线网络相同级别的安全保护。另外，为了进行访问控制，ESSID（也称为无线LAN服务区别号）将被放置在到每个无线访问接入点中，它是无线客户端与无线访问接入点联系所必不可少的。除此之外，每个无线访问接入点中还包括一个有关MAC地址的访问控制列表，只有那些MAC地址在这个列表中的客户端才能对无线访问接入点进行访问。 MSDU重新排序服务是为了提高成功发送的可能性，只有在节电方式工作下的站，且不处于激活状态，才可先将MSDU缓存起来，等站激活时再突发出去，对缓存数据进行重新排序。MAC数据服务可使对等LLC实体进行数据单元的交换，本地MAC利用下层的服务将一个MSDU传给一个对等的MAC实体，然后又传给对等的LLC实体。  
（二）IEEE 802.11b  
为了支持更高的数据传输速率， IEEE于1999年9月批准了IEEE 802.11b标准。IEEE 802.11b标准对IEEE 802.11标准进行了修改和补充，其中最重要的改进就是在IEEE 802.11 的基础上增加了两种更高的通信速率5.5Mbps和11Mbps。  
由于现行的以太网技术可以实现10Mbps、100Mbps乃至1000Mbps等不同速率以太网络之间的兼容，因此有了IEEE 802.11b标准之后，移动用户将可以得到以太网级的网络性能、速率和可用性，管理者也可以无缝地将多种LAN技术集成起来，形成一种能够最大限度地满足用户需求的网络。IEEE 802.11b的基本结构、特性和服务仍然由最初的 IEEE 802.11标准定义。IEEE802.11b规范只影响IEEE 802.11标准的物理层，它增加了更高的数据传输速率和更健全的连接性。  
IEEE 802.11b可以支持两种速率—5.5Mbps和11Mbps。而要做到这一点，就需要选择DSSS作为该标准的唯一物理层技术，因为，目前在不违反FCC规定的前提下，采用跳频扩频技术无法支持更高的速率。这意味着IEEE 802.11b系统可以与速率为1Mbps和2Mbps的IEEE 802.11 DSSS系统兼容，但却无法与速率为1Mbps 和2Mbps的IEEE 802.11 FHSS系统兼容。   
为了增加数据通信速率，IEEE 802.11b标准不是使用11比特长的Barker序列，而是采用了补充编码键控（CCK），CCK由64个8比特长的码字组成。作为一个整体，这些码字具有自已独特的数据特性，即使在出现重要噪声和多路干扰的情况下，接收方也能够正确地予以区别。IEEE 802.11b规定在速率为5.5Mbps时使用CCK，对每个载波进行4比特编码。而当速率为11Mbps时，对每个载波进行8比特编码。这两种速率都使用QPSK作为调制技术。  
（三）HomeRF  
HomeRF是专门为家庭用户设计的一种WLAN技术标准。HomeRF利用跳频扩频方式，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问/冲突避免（CSMA/CA）协议提供数据通信服务。同时，HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。目前，HomeRF标准工作在2.4GHz的频段上，跳频带宽为1MHz，最大传输速率为２Ｍbps，传输范围超过100米。  
美国联邦通信委员会（FCC）最近采取措施，允许下一代HomeRF无线通信网络传送的最高速度提升到10Mbps，这个速度是目前此种网络速度的5倍，这将使HomeRF的带宽与IEEE 802.11b标准所能达到的11Mbps的带宽相差无几，并且将使HomeRF更加适合在无线网络上传输音乐和视频信息。  
除此之外， FCC还接受了HomeRF工作组的要求，将HomeRF/SWAP（共享无线访问协议，Shared Wireless Access Protocol）使用的2.4GHz频段中的跳频带宽增加到5MHz。  
（四）蓝牙技术（Bluetooth）   
蓝牙技术是一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线通讯连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在一个9×9 mm的微型芯片上，可以方便地嵌入设备之中。这项技术能够非常广泛地应用于我们的日常生活中。  
蓝牙技术中也采用了跳频技术，但与其它工作在2.4 GHz频段上的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。FEC（Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音。应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。蓝牙技术理想的连接范围为10厘米—10米，但是通过增大发射功率可以将距离延长至100米。   
蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64Kbps同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721Kbps而另一端速率为57.6Kbps的不对称连接，也可以支持43.2Kbps的对称连接。   
（五）IrDA（Infrared Data Association，红外线数据标准协会）  
IrDA成立于1993年，是非营利性组织，致力于建立无线传播连接的国际标准，目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。  
简单地讲，IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它的主要优点是：  
体积小、功率低，适合设备移动的需要  
  
传输速率高，可达16Mbps  
  
成本低  
  
应用普遍。目前有95％的手提电脑上安装了IrDA接口，最近市场上还推出了可以通过USB接口与PC机相连接的USB-IrDA设备。  
  
面对其他技术的挑战，IrDA并没有停滞不前。除了传输速率由原来FIR标准（Fast Infrared）的4Mbps提高到最新VFIR标准的16Mbps；接收角度也由传统的30度扩展到120度。  
  
  
但是，IrDA也有其不尽如人意的地方。首先，IrDA是一种视距传输技术，也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的，但在多个设备间就必须彼此调整位置和角度等，这是IrDA的致命弱点。其次，IrDA设备中的核心部件—红外线LED不是一种十分耐用的器件，对于不经常使用的扫描仪和数码相机等设备还可以，但如果经常用装配IrDA端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。  
总的来讲，IEEE 802.11系列标准比较适于办公室中的企业无线网络，HomeRF较适用于家庭中移动数据/语音设备之间的通信，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合。  
二、 WLAN的组网  
（一）无线局域网设备的种类  
要组建无线局域网，必须要有相应的无线网设备，这些设备主要包括：无线网卡、无线访问接入点、无线HUB、和无线网桥，几乎所有的无线网络产品中都自含无线发射/接收功能，且通常是一机多用，其中无线访问接入点在前文中已经讲过。  
  
无线网卡主要包括NIC（网卡）单元、扩频通信机和天线三个功能模块。NIC单元属于数据链路层，由它负责建立主机与物理层之间的连接；扩频通信机与物理层建立了对应关系，它通过天线实现无线电信号的接收与发射。  
  
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无线HUB 既是无线工作站之间相互通信的桥梁和纽带，同时又是无线工作站进入有线以太网的访问点。它负责管理其覆盖区域 （无线单元）内的信息流量。覆盖彼此交叠区域的一组无线 HUB，能够支持无线工作站在大范围内的连续漫游功能，同时又能始终保持网络连接，这与蜂窝式移动通信的方式非常相似。另外，在同一地点放置多个无线 HUB，可以实现更高的总体吞吐量。  
  
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无线网桥主要用于无线或有线局域网之间的互连。当两个局域网无法实现有线连接或使用有线连接存在困难时，可使用无线网桥实现点对点的连接，在这里无线网桥起到了网络路由选择和协议转换的作用。  
  
除了上面讲到的几种设备之外，无线MODEM也可以用于无线接入，例如PDA就可以通过外接无线MODEM的方式来访问Internet。  
（二）无线局域网的网络结构  
将以上几种无线局域网设备结合在一起使用，就可以组建出多层次、无线与有线并存的计算机网络。总的来说，无线局域网有两种类型：对等网络和基础结构网络。  
1、对等网络  
最简单的无线局域网结构是对等网络。一个对等网络由一组有无线接口的计算机组成。这些计算机要有相同的工作组名、ESSID和密码（如果适用的话）。任何时间，只要两个或更多的无线接口互相都在彼此的范围之内，它们就可以建立一个独立的网络。这些根据要求建立起来的典型的网络在管理和预先设置方面没有要求。  
2、基础结构网络  
在基础结构网络中，无线中继站（如无线接入访问点、无线HUB和无线网桥等设备）把无线局域网与有线网连接起来，并允许用户有效地共享网络资源。中继站不仅仅提供与有线网络的通讯，也为网上邻居解决了无线网络拥挤的状况。复合中继站能够有效扩大无线网络的覆盖范围，实现漫游功能。  
（三）无线局域网设备的安装及设置  
大家都知道，在组建有线局域网时需要用线缆将计算机、路由器、HUB、交换机等设备连接在一起，而且需要对这些设备进行必要的设置。在组建无线局域网时，同样需要对有关设备进行安装和设置。  
1、无线网卡的安装和设置  
要将计算机连入无线局域网，必须先在计算机上安装无线网卡：  
首先将无线网卡插入到计算机的扩展槽内；  
  
然后在操作系统中安装该无线网卡的设备驱动程序；  
  
对无线网卡进行设置，其中涉及一些重要的参数及属性，例如网络类型（对等结构型或基础结构型）、ESSID（包括1—31个字符或数字，区分大小写且不允许空格，用于确认是否允许这个无线网卡进入当前的无线局域网）、网络加密方式及所用密码等等，只有当这些参数的设置与相关无线网络接入设备（如无线访问接入点和无线网桥）中的参数设置一致时，才能通过该无线网络接入设备进入相应的无线局域网。  
  
  
根据应用需要进行必要的网络设置，如安装TCP/IP、IPX/SPX或NetBEUI等网络协议，添加网络服务和网络客户等。  
  
  
2、无线网络接入设备的设置  
大多数无线网络接入设备（如无线访问接入点和无线网桥）都是通过RS232串行口进行初始化配置的，这一点与路由器的配置方式相似。  
在进行初始化配置的时候，您可以通过串行电缆将终端连接在无线网络接入设备的串口上，然后通过终端登录到该无线网络接入设备上进行配置；也可以用一根串行电缆将无线网络接入设备与一台运行Windows 95或NT的计算机连接起来，然后运行Windows 95或NT中的超级终端程序登录到该无线网络接入设备上进行配置。配置过程主要涉及以下参数：  
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ESSID：这个标识符可以是任何一串1-31个ASCII字符或数字，区分大小写且不允许存在空格。这个标识符用来确定一个无线网卡是否能够获得许可通过该无线网络接入设备进入无线局域网。要想获得访问，无线网卡必须有相同的ESSID。需要注意的是，如果您使用了多个无线网络接入设备并且想要进行漫游，那么在每一个无线网络接入设备中都必须设置相同的ESSID。  
  
无线网络的加密方式及所用密码  
  
跳频次序  
  
设备的IP地址及掩码  
  
该设备最多允许多少台工作站接入  
  
初始化设置完成之后，用户就可以TELNET到无线网络接入设备上进行管理和监控了，通过TFTP软件还可以对设备进行升级。  
在安装无线网络接入设备时应尽量避免障碍物的遮挡。  
三、制约WLAN技术发展的几个问题  
WLAN与传统的有线网络相比较有许多优点：  
可移动性，用户可在移动过程中对网络进行不间断的访问，并可以实现漫游  
  
安装快速且简单，省去了在墙上和天花板上安装电缆的要求  
  
减少了费用支出  
  
既然WLAN有这么多的优点，为什么至今不能象有线网络那样普及呢？这主要是因为以下几个技术方面的问题：  
1、 标准不统一，产品不兼容  
目前生产WLAN产品的厂商很多，其中主要的几家是3COM、Aironet、Cabletron、Lucent、Intel、IBM和Compaq。单独看这几家的WLAN产品，其性能都不错。但是由于这几家的WLAN产品分别遵循不同的技术标准，而按照不同技术标准生产出来的WLAN产品在兼容性方面往往存在或多或少的问题。因此在实际应用中，特别在无线网络的扩容和集成时，用户一方面要谨慎选择，防止不兼容问题的发生，另一方面还要对已经存在的不兼容问题进行解决。而有线网络经过了较长时期的发展，形成了统一的技术标准，产品兼容性问题解决得就比较好。  
2、 安全性  
由于无线网络通过无线介质进行传输，因此安全性就显得更为突出和重要。虽然无线网络技术标准中大都采用了ESSID、密码访问控制和无线加密协议（WEP）等技术来控制无线网络的安全，但仍然存在着安全隐患。  
最近，加州大学伯克利分校计算机科学部的ISACC研究小组发现用于无线局域网通信的IEEE 802.11国际标准所采用的WEP协议存在严重安全缺陷，采用该协议的无线设备有可能受到黑客攻击。研究小组发现的这个缺陷有可能造成从利用IEEE 802.11标准的笔记本电脑或PDA发出的无线信息被拦截和解密。因此研究小组建议使用IEEE 802.11无线网的任何人不要采用WEP作安全协议，应该采取其他安全措施来保护他们的无线网。  
当然，任何事物都有一个不断发展的过程，我们不能期望它从一开始就完美无缺。目前的WEP算法已经从最初的40位发展到了128位，其加密性能得到了很大的提高。  
3、可靠性  
无线网络与有线网络相比，更容易受到外界的干扰，因此其可靠性与所处环境的电磁干扰频率及强度有很大的关系。另一方面，由于数据传输对差错率的要求远比话音传输要高，因此无线网络的应用暂时还不能象手机那样普及。  
尽管WLAN有以上技术方面的不足，但其优点是无可否认的。随着通信技术日新月异的发展，我们相信这些技术问题最终会得到很好的解决，WLAN必将有广阔的发展前景。



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